1 2 3 4 5

2. Experimental section

The MWNTs are synthesized as an aligned forest by chemical vapor deposition (CVD) using acetylene over an iron catalyst on silicon wafer. Details of the furnace, reactor and basic conditions have been previously reported [12], [13]. The CNTs have outer diameter of approximately 10 nm, inner diameter ~ 4 nm (Figures 3, 4) and length 350 to 400 µm. MWNT sheet CEs were prepared using from one to eight sheets drawn directly from the forest (Figure 2) and laid as a stack onto plain glass plates. The CNT layer was stabilized by wetting with acetone and allowed to dry. The sheet resistance and optical absorption spectra of the MWNT CEs were measured. The morphology of the CNTs were analysed by scanning electron microscopy (SEM, Philips XL30 FESEM), transmission electron microscopy (TEM, FEI Tecnai-200).

Electrodes were fabricated from plates (15x10x2 mm) of plain borosilicate glass and commercial FTO coated glass (Hartford Glass Co, Newington, CT; sheet resistance 15 Ω/cm2). Test and control DSC and symmetrical cells were assembled by placing electrodes face to face with a 60-μm-thick Surlyn polymer foil spacer and sealed in a hot press. Plates used for the counter electrodes have a small hole drilled near one edge to allow vacuum backfilling of the assembled cells with electrolyte consisting of 3-propyl-1-methylimidazolium iodide (PMII) (0.6 mol/L), I2 (0.04 mol/L), guanidinium thiocyanate (GuSCN) (0.1 mol/L), and 4-tert-butylpyridine (0.5 mol/L) in acetonitrile. Finally, the electrolyte injection hole was sealed with Surlyn and a microscope cover glass.

LFigure 2 – Transparent MWNT sheet fabricated from 200 x 66 mm spinnable forest.

Figure 3 – Spinnable MWNT forest (inset close-up

of CNT fiber alignment (2 µm scale bar))

Figure 4 – Drawn MWNT sheet (inset TEM of single MWNT (5 nm scale bar))

Conventional platinum CEs were prepared by spreading a film of commercially available platinum paste (Solaronix, platinum catalyst T/SP) on FTO glass plates and heat treating at 400 °C for 25 min in air.

The working electrode for each DSC was prepared by first depositing a compact TiO2 thin film on an FTO glass plate substrate by soaking in an aqueous solution (40 mM) of TiCl4 at 70 oC for 30 minutes, rinsing with deionised water and air drying. A layer (10 um) of transparent TiO2 paste (Dyesol, DSL 18 NR-T) followed by a layer (4 um) of reflector TiO2 paste (Dyesol, WER4-O) were spread by doctor blade onto the substrate and sintered from room temperature to 500 °C for 45 min. After cooling to 110 °C, sintered electrodes were immersed in a 0.3 mM solution of cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato)-ruthenium(II) bis(tetrabutylammonium) dye (Solaronix N719) in acetonitrile for 24 h.

3. Results and discussion

The transmittance (measured using Perkin Elmer Lambda 900 UV-Vis/NIR Spectrometer, by wavelength 550 nm) of a single layer of multiwall CNT sheet was found to be > 85% for parallel polarization, > 65% for perpendicular polarization.

The sheet resistance of MWNT sheet (~ 590 Ω/□ is higher than that of FTO This can be overcome to some extent by bus design.). The work function of MWNT sheets (~ 5.2 eV) is slightly higher than that of the FTO

Current-voltage characteristics of the DSCs were measured at the spectrum of AM1.5 G illumination intensity using an Oriel (model 91160) solar simulator and a Keithley 2400 source meter. The intensity of incident light was calibrated by an NREL-certified silicon reference cell equipped with a KG-5 filter [12], [13].

The current-voltage performance of DSCs fabricated from counter electrodes with different number of MWNT layers was compared with a DSC device having a conventional Pt/FTO counter electrode (Figure 4 a-b). The curves show a strong inflection at about 700 mV, 10.9 mA/cm2 for 1 MWNT layers decreasing to 3 layers and absent from samples of 4 to 6 (Figure 5a). This may indicate a saturation effect due to there being insufficient active sites on the MWNTs to reduce the triiodide. The curves for 7 and 8 layers show a striking change from those of 4 to 6 layers, with increasing slope at low voltage and flattening at high voltage, indicative of a diffusion effect in the cell. Curves for 4, 5 and particularly for 6 layers are similar in structure to that for the Pt/FTO control (Figure 5b).

Under 1 sun illumination (100 mW/cm2, AM 1.5 G), the open-circuit voltage (VOC), short-circuit current density (JSC), and fill factor (FF) of a one layer MWNT counter-electrode DSC were 700 mV, 10.9 mA/cm2, and 0.35, respectively, yielding an energy conversion efficiency (η) of 2.65%. The same parameters for six layers MWNT counter-electrode DSCs were 740 mV, 12.4 mA/cm2, and 0.68, respectively, yielding energy conversion efficiency (η) of 6.95%. The corresponding values (VOC, JSC, FF, and η) of the platinum counter-electrode device were 760 mV, 14.2 mA/cm2, 0.73, and 7.95% respectively.

Photoelectric performance is steadily poorer for MWNT CEs with fewer layers (Table), particularly for the fill factor and hence conversion efficiency values (Fig. 6) again indicating the effect of saturation. The VOC and JSC values are only slightly affected although are higher for the 2 and 3 layers than for 1 and 4, suggesting an additional effect is present. The performance falls sharply for layers greater than 6, with all measures declining. The mesoporous structure of the MWNT film increases the diffusion impedance of redox species, which results in a large internal series resistance and low FF [14], [15]. The shape of the efficiency curve (Figure 6) illustrates the contrary effects of increased MWNT loading, with more active catalytic sites but greater layer and hence diffusion depth.

Photoelectric performances of the cells in Figure 5

Counter electrode

Uoc (V)

Isc (mA/cm2)


η (%)






1 layer MWNT





2 layers MWNT





3 layers MWNT





4 layers MWNT





5 layers MWNT





6 layers MWNT





7 layers MWNT





8 layers MWNT





a – 1,2,3,4,5,6 layers of an aligned MWNT; b – 6,7,8 layers of an aligned MWNT and Pt reference

Figure 5 – Current-voltage characteristics of DSCs with different combination of MWNT and Pt counter electrodes

Figure 6 – Dependence of the efficiency rate from number of layers

4. Conclusion

Different numbers of directly drawn aligned MWNT sheets were tested (1-8 layers) as CEs in DSCs and we achieved a high efficiency (6.95%) comparable to the

conventional Pt/FTO CE using 6 layers. Nanoscale edges on the MWNTs play an active role in fast dissociation of redox pairs and the sheet conductivity is critical in current collection. Conventional DSCs uses counter electrode with Pt catalytic particles coated on FTO films. The Pt particles is a well known material for a catalytic charge transfer between electrolyte and current collector. The relatively high obtained efficiency of DSCs (~ 6-7%) is determined by the high generated photocurrent, which is near to the reference DSCs made by same method using the standard Pt catalyst. The fill-factor of the device with combination of six layers MWNT is comparable with Pt reference (~0.7). Further improvement of electrochemical properties and conductivity of these carbon based electrodes is under investigation with MWNT sheets to achieve a higher performance device. One major concern, currently being studied, for the application of MWNT counter electrodes in DSC is long-term stability (Pt also suffers from instability in long term use). During prolonged exposure in a corrosive electrolyte, weakly adhered MWNTs may detach from the FTO glass substrate and get deposited on the TiO2 photoanode side, shorting out the cell. No evidence of this has been detected thus far with our cells.


This work was supported through the CONTACT program and the Welch Foundation AT-1617.


[1] B. O’Regan, M. Grätzel, A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature 353 (1991), pp. 737-740.

[2] M. Grätzel, Photoelectrochemical cells, Nature 414 (2001), pp. 338-344.

[3] A. Kay, M. Grätzel, Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder, Sol Energy Mater Sol Cell 44 (1996), pp. 99-117.

[4] T.N. Murakami, S. Ito, Q. Wang, M.K. Nazzeruddin, T. Bessho, I. Caser, A flexible carbon counter electrode for dye-sensitized solar cells, J Electrochem Soc 153 (2006), pp. A2255-A2261.

[5] X. Fang, T. Ma, G. Guan, M. Akiyama, T. Kida, E. Abe, Effect of the thickness of the Pt film coated on a counter electrode on the performance of a dye-sensitized solar cell, J.Electroanal. Chem. 570 (2004), pp. 257-263.

[6] J. Chen, K. Li, Y. Luo, X. Guo, D. Li, M. Deng, S. Huang, Q. Meng, A flexible carbon counter electrode for dye-sensitized solar cells, Carbon 47 (2009), pp. 2704-2708.

[7] Z. Huang, X. Liu, K. Li, D. Li, Y. Luo, H. Li, W. Song, L. Chen, Q. Meng, Characterizations of tungsten carbide as a non-Pt counter electrode in dye-sensitized solar cells, Electrochem. Commun. 9 (2007), pp. 596-598.

[8] C.P. Huynh, S.C. Hawkins, M. Redrado, S. Barnes, D. Lau, W. Humphries, G.P. Simon, Evolution of directly-spinnable carbon nanotube growth by recycling analysis, Carbon 49 (2011), pp. 1989-97.

[9] C.P. Huynh, S.C. Hawkins, Understanding the synthesis of directly spinnable carbon nanotube forests, Carbon 48 (2010), pp. 1105-15.

[10] K. Lui, Y. Sun, L. Chen, C. Feng, X. Feng, K. Jiang, Controlled growth of super-aligned carbon nanotube arrays for spinning continuous unidirectional sheets with tunable physical properties, Nano Lett. 8 (2) (2008), pp. 700-5.

[11] X. Lepro, M.D. Lima, R.H. Baughman, Spinnable carbon nanotube forests grown on thin, flexible metallic substrates, Carbon 48 (2010), pp. 3621-7.

[12] W.J. Lee, E. Ramasamy, D.Y. Lee, J.S. Song, Metal nanoparticles and carbon-based nanostructures as advanced materials for cathode application in dye-sensitized solar cells, Applied Materials & Interface 6 (2009), pp. 1145-1149.

[13] B.A. Gregg, Excitonic Solar Cells, J. Phys. Chem. B 107 (2003), pp. 4688-4698.

[14] W.J. Lee, E. Ramasamy, D.Y. Lee, Efficient dye-sensitized solar cells with catalytic multiwall carbon nanotube counter electrodes, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 93 (2009), pp. 1448-1451.

[15] K. Aitola, A. Kaskela, J. Halme, V. Ruiz, A.G. Nasibulin, E.I. Kauppinen, P.D. Lunda, Flexible transparent single-walled carbon nanotube electrodes: applications in electrochromic windows and dye solar cells, Journal of the Electrochemical Society 157 (2010), pp. 1831-1837.

УДК 621.74

Определение технологических характеристик песчано-смоляных форм

А.З. ИСАГУЛОВ, д.т.н., профессор, проректор по ИиУМР,
В.Ю. КУЛИКОВ, к.т.н., доцент, зав. кафедрой,
Е.П. ЩЕРБАКОВА, преподаватель,
Т.В. ЧУДНОВЕЦ, ассистент,
Д.А. ИСАГУЛОВА, докторант, преподаватель,
Карагандинский государственный технический университет, кафедра ММиН

Ключевые слова: форма, песок, смола, качество, моделирование, управление, газопроницаемость.

В природе, технике, в том числе и в производстве новых материалов, часто встречаются дисперсные системы, в которых одно вещество равномерно распределено в виде частиц внутри другого вещества. Это относится и к процессу таблетирования при производстве полимеров, изготовлении твердосплавных напаек для режущего инструмента, к шихтовым материалам, брикетам, получаемым в металлургической практике, и некоторым другим смесям, широко используемым в производстве новых и традиционных материалов. Все это в полной мере относится и к формовочным материалам, используемым в металлургическом и литейном производстве.

Большинство формовочных смесей в металлургии и литейном производстве относится к трёхфазовым системам (Т:Ж:Г), для которых структурно-механиче­ские (реологические свойства) являются определяющими. При этом главной особенностью дисперсных систем является сильно развитая межфазная поверхность и большое значение избыточной поверхностной энергии Гиббса. Такие системы характеризуются самопроизвольным образованием пространственных структур, которые определяют их основные структурно-механические свойства. В свою очередь, образование пространственных структур и агрегатов, особенно при наличии внешней нагрузки, с различными типами контактов между твёрдыми частицами, является, на наш взгляд, тем основным фактором, который определяет свойства дисперсных систем в различных технологических процессах. Существующие математические модели не учитывают это обстоятельство, что значительно снижает их эффективность.

Таким образом, в настоящее время недостаточно разработаны процессы моделирования формирования прочных дисперсных систем применительно к прессуемым и нагреваемым смесям.

Применение компьютерных технологий и моделирования позволяет сделать расчеты параметров машин и оборудования и технологических процессов производства значительно более производительно и точно, что существенно повышает качество разработок промышленной техники и технологии. Все это в конечном итоге сказывается на жизнедеятельности общества. Необходимо иметь в виду, что эффективное воздействие на организацию качественной бесперебойной продукции достигается только при правильном выборе технологических процессов, соответствующем техническом оснащении производственных, в том числе и литейных цехов, возможности заранее предусмотреть, как отразятся на заготовках и готовых изделиях те или иные факторы. Все это можно достигнуть путем глобальной информатизации и переоборудования в производственных цехах.

Известно, что от структуры тела зависят его свойства. Одной из важных задач, стоящих перед наукой и практикой, является повышение производительности изготовления изделий из песчано-смоляных смесей за счет модернизации существующего оборудования и внедрения новых технологических процессов.

Построение математических моделей процессов уплотнения для описания напряженно-деформирован­ного состояния проводится в целях выбора рациональных схем и режимов уплотнения, позволяет управлять структурой изделий. Вследствие этого появляется возможность регулирования свойств изделий, таких как плотность, прочность, газопроницаемость, шероховатость. Внедрение инновационных устройств и способов изготовления прессованных изделий позволит повысить производительность, качество изготовляемой продукции, то есть приведет к снижению себестоимости продукции, а значит, сделает ее конкурентоспособной на рынке товаров.

Управление свойствами песчано-смоляных форм

<< предыдущая страница   следующая страница >>